Измерение давления (90
..pdfМинистерство образования и науки России Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»
ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ
Методические указания к лабораторной работе
Казань
КНИТУ
2012
Составители: доц. М.Ю. Перухин доц. В.П. Ившин
Измерение давления: методические указания к лабораторной работе / М.Ю. Перухин, В.П. Ившин; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань: КНИТУ , 2012 – 20 с .
Изложен материал по выполнению лабораторной работы «Из- мерение давления». Приведено описание экспериментальной установ- ки, даны краткие теоретические положения по изучаемой теме и мето- дика проведения работы.
Предназначены для студентов всех форм обучения механиче- ских и технологических специальностей при изучении ими курса ав- томатизации технологических процессов.
Подготовлены на кафедре автоматизированных систем сбора и обработки информации.
Печатаются по решению методической комиссии института управления, автоматизации и информационных технологий Казанско- го национального исследовательского технологического университе- та.
Рецензенты: зав. каф. АТПП КГЭУ д-р. техн. наук,
проф., К.Х. Гильфанов
доц. каф. АиУ КНИТУ (им. А.Н. Туполева), канд. техн. наук, С.А. Терентьев
2
Лабораторная работа №1
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
Цель работы: изучить принцип действия и устройство прибо- ров давления с упругими чувствительными элементами; ознакомиться с методами и средствами их поверки.
Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей силы к площади, на которую действует сила (рис. 1). При равномерном распределении сил давление равно частному от деления нормальной составляющей силы давления на площадь, на которую эта сила действует.
Давление является одним из важней- ших параметров химико-технологических процессов. От величины давления зависит протекание технологического процесса. Вели- чина единицы давления зависит от выбранной системы единиц (табл. 1).
Различают абсолютное и избыточное давление. Абсолютное давление Pа – давле- ние, отсчитанное от абсолютного нуля. Избы- точное давление Ри представляет собой раз-
ность между абсолютным давлением Pа и барометрическим давлени- ем Рб (т.е. давлением воздушного столба земной атмосферы) [1]:
Ри = Ра – Р б
Если абсолютное давление ниже барометрического, то
РВ = Рб – Ра,
где Pв – разрежение.
Единицы измерения давления приведены в табл. 1.
3
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
Соотношение между единицами давления |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
кгс / м2 |
кгс/ см2 |
атм. |
|
|
|
Единицы |
или |
или |
|
|
|
|
атм.(техн. |
(физичеcкая |
|
Н/м2 |
|
||
давления |
мм вод. |
мм рт. ст. |
|
|||
|
ст. |
атмосфера) |
атмосфера) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 кгс/м2 |
|
|
|
|
|
|
или |
1 |
10-4 |
0,0968·10-3 |
73,556·10-3 |
9,80665 |
|
1 мм вод. ст. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 кгс/см2 |
|
|
|
|
|
|
или |
104 |
|
|
|
|
|
1 атм. (техн. |
1 |
0,9678 |
735,56 |
98066,5 |
|
|
атмосфера) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 атм. (фи- |
|
|
|
|
|
|
зическая |
10332 |
1,0332 |
1 |
760,00 |
101 325 |
|
атмосфера) |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 мм рт. ст. |
13,6 |
1,36·10-3 |
1, 316·10-3 |
1 |
133,322 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 Н /м2 |
0,102 |
10,2·10-6 |
10,13·10-6 |
7,50·10-3 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Приборы для измерения давления по виду измеряемого давления подразделяются на:
а) манометры – для измерения абсолютного и избыточного давления;
б) вакуумметры – для измерения разряжения (вакуума); в) мановакуумметры – для измерения избыточного давления
и вакуума; г) напоромеры – для измерения малых избыточных давлений
(до 40 кПа);
д) тягомеры – для измерения малых разряжений (до минус 40
кПа);
4
е) тягонапорометры – для измерения разряжений и малых из- быточных давлений;
ж) дифференциальные манометры – для измерения разности давлений;
з) барометры – для измерения барометрического давления атмосферного воздуха [1].
По принципу действия приборы для измерения давления делятся:
а) на жидкостные, основанные на уравновешивании измеряе- мого давления гидростатическим давлением столба жидкости;
б) на деформационные (пружинные), измеряющие давление по величине деформации различных упругих элементов или по раз- виваемой ими силе;
в) на поршневые манометры; г) на электрические, основанные либо на преобразовании
давления в какую-нибудь электрическую величину, либо на измене- нии электрических свойств материала под действием давления [1].
Жидкостные манометры
Жидкостные манометры отличаются простотой конструкции и сравнительно высокой точностью измерения. Их широко при- меняют как в качестве переносных (лабораторных), так и тех- нических приборов для измерения давления.
Переносной U-образный манометр, представляющий собой согнутую в виде буквы U стеклянную трубку 1, показан на рис.2. Трубка закреплена на доске 2 со шкалой 3, расположенной между коленами трубки, и заполнена жидкостью (спиртом, водой, ртутью). Один конец трубки соединен с полостью, в которой измеряется дав- ление, другой конец трубки сообщается с атмосферой.
Под действием измеряемого давления жидкость в трубке пе- ремещается из одного колена в другое до тех пор, пока измеряемое давление не уравновесится гидростатическим давлением столба жидкости в открытом колене. Если давление в полости, с которой соединен прибор, ниже атмосферного, то жидкость в коленах пере- местится в обратном направлении, и высота ее столба будет соответ- ствовать вакууму.
5
Присоединив оба колена трубки к полостям с различными давлениями Р1 и Р2, можно определить разность давлений. Манометр заполняют жидкостью до нулевой отметки шкалы. Для определения высоты столба жидкости необходимо сделать два отсчета (снижение в одном колене и подъем в другом) и суммировать их величины, т. е.
H = h1 + h2 [1].
Рис.2. U – образный манометр
Деформационные манометры
Классификация пружинных приборов для измерения давления по типу чувствительного элемента
По виду упругого чувствительного элемента (рис.3) пружин- ные приборы делятся на следующие группы [1]:
6
1)приборы с трубчатой пружиной, или собственно пружин- ные (рис. 3а, б);
2)мембранные приборы, у которых упругим элементом слу- жит мембрана (рис. 3в), анероидная или мембранная коробка (рис. 3г, д), блок анероидных или мембранных коробок (рис. 3е, ж);
3)пружинно-мембранные с гибкой мембраной (рис. 3з);
4)приборы с упругой гармониковой мембраной (сильфоном)
(рис. 3к);
5)пружинно-сильфонные (рис. 3и).
Рис. 3. Виды упругих чувствительных элементов
Манометры с одновитковой трубчатой пружиной
Действие пружинных приборов основано на измерении вели- чины деформации различного вида упругих элементов. Деформация упругого чувствительного элемента преобразуется передаточными механизмами того или иного вида в угловое или линейное переме- щение указателя по шкале прибора.
Наиболее широко применяются приборы (манометры, ваку- умметры, мановакуумметры и дифманометры) с одновитковой труб- чатой пружиной. Основная деталь прибора с одновитковой трубча-
7
той пружиной – согнутая по дуге окружности трубка эллиптического или плоскоовального сечения (рис. 4). Одним концом трубка задела- на в держатель, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоеди- нения к полости, в которой измеряется давление. Внутри держателя есть канал, соединяющийся с внутренней полостью трубки (рис. 4).
Рис .4. Схема трубчатой пружины (а) и ее эллиптическое (б), плоскоовальное (в) поперечные сечения: 1 – трубка; 2 – держатель
Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, то кривизна трубки уменьшится, и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и трубка скручивается. Так как один конец трубки закреплен, то при изменении кривизны трубки ее свободный конец перемещается по траектории, близкой к прямой, и при этом воздействует на переда- точный механизм, который поворачивает стрелку показывающего прибора. Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления в ее полости, является следствием изменения формы сечения. Под действием измеряемого давления внутри трубки эллиптическое или плоскоовальное сечение, деформируясь под действием силы
F = P·S,
8
где S – площадь воздействия давления, приближается к круговому сечению (малая ось эллипса или овала увеличивается, а большая – уменьшается) [1].
Грузопоршневые манометры
Принцип действия грузопоршневых манометров основан на уравновешивании измеряемого давления силой веса положенных на поршень грузов. Грузопоршневые манометры обладают высокой точностью воспроизведения давления и широким диапазоном изме- рений – от 0,098 до 980 МН/м2 (от 1 до 10000 кгс/см2), поэтому они применяются в основном для градуировки и поверки средств изме- рения давления [2].
Образцовый грузопоршневой манометр (рис. 5) состоит из колонки, укрепленной на станине прибора, в которой имеется верти- кальный цилиндрический канал, в нем движется пришлифованный поршень, несущий на верхнем конце тарелку для установки грузов. Верхняя часть колонки снабжена воронкой для сбора масла, проса- чивающегося через зазор между поршнем и цилиндром. В станине высверлен горизонтальный канал, в расширенной части которого движется посредством винтового штока поршень 7, уплотненный манжетами. Канал в станине соединяется с каналом колонки и кана- лами двух бобышек, предназначенных для укрепления поверяемых манометров. Кроме того, с каналом станины соединен канал воронки 8, которая служит для заполнения системы маслом. Каналы для от- соединения их от канала станины снабжены игольчатыми вентилями 9-12. Назначение вентиля 13 – спуск масла из прибора. Максималь- ное давление, создаваемое грузами, 4,90 МН/м2 (50 кгс/см2). Рассчи- тывается по формуле:
где fэф – эффективная площадь сечения штока поршня. Для поверки манометров на большее давление пользуются поршневым прессом, отсоединив от прибора поршневую колонку 1 вентилем 10. В качест- ве прибора сравнения применяют образцовый пружинный манометр: его присоединяют к одной из бобышек 4, а поверяемый прибор – к другой бобышке [3].
9
Рис. 5 . Схема образцового грузопоршневого манометра: 1 – колонка; 2 – поршень; 3 и 8– воронки; 4– бобышки; 5 – канал; 6 – тарелка; 7 – поршень; 9 – 13 – вентили
Электрические манометры
Принцип действия приборов основан на измерении электри- ческих величин, связанных с измерением давления [2]. Чувствитель- ные элементы электрических манометров производят непосредст- венное преобразование давления в какую-либо электрическую вели- чину, функционально связанную с давлением. Различают емкостные датчики давления, пьезоэлектрические и др.
Емкостный манометр
Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные пре- образователи давления и преобразователи, выполненные с использо- ванием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение ем- кости.
10